CN102589466A - 一种轮廓的显微方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮廓的显微方法和装置。装置包括激光器、单模光纤、第一准直透镜、第一偏振片、第一偏振分束器、四分之一波片、第二透镜、第三透镜、二分之一波片、第二偏振分束器、第一探测光纤、第二探测光纤、差分探测器、主控计算机、纳米平移台和用于放置待测样品的样品平台。本发明通过横向差分获得物体的轮廓像，有效提高系统的横向分辨率。本发明结构简单，横向分辨率提高显著，可以达到200nm以下，可用于光学显微领域以及纳米级别的高精度检测、测量和制造等领域。

Description

一种轮廓的显微方法和装置

技术领域

本发明属于光学超分辨显微领域，特别涉及一种轮廓的显微方法和装置。

背景技术

随着科学技术的发展，人们不断追求越来越小的尺寸结构和越来越高的分辨能力，特别是在微电子、航空航天、纳米加工、生命科学和材料工程等领域，对微小尺度结构和超分辨的要求日益迫切。

1957年，M.Minsky为了消除普通光学显微镜在探测样品时产生的散射光影响，首次提出共焦显微镜的思想并于1961年申请专利。随后T.Wilson和C.J.Sheppard等多位学者对共焦显微成像技术进行了更细致的研究。90年代以后，随着计算机技术和各类新型光学元件制作等技术的发展和交融，共焦显微技术在技术和理论上都获得了长足的发展，并促进了现代成像光学进入一个崭新的发展阶段。

共焦显微术具有高分辨率，尤其是纵向高分辨率的特点。它突破了普通光学显微镜衍射极限的限制，纵向分辨率可以达到亚微米量级，但横向分辨率仅为相同数值孔径的普通光学显微镜的1.4倍。

差分共焦方法是建立在共焦显微术基础上的测量方法，是表面形貌检测的新方法，系统轴向分辨率可以达到纳米量级，高速而且精确。有专利对使用差分共焦方法提高系统的轴向分辨能力进行了研究，轴向分辨能力有显著改善，但是未能改善系统的横向分辨能力。

因此，目前现有技术显微系统的横向分辨率，仍然无法满足在微电子、航空航天、纳米加工、生命科学和材料工程等领域对微小尺度结构的超分辨要求。

发明内容

本发明提供了一种轮廓的显微方法和装置，通过横向差分获得物体的轮廓像，有效提高了系统的横向分辨率。本发明结构简单，横向分辨率提高显著，可以达到200nm以下，可用于光学显微领域以及纳米级别的高精度检测、测量和制造等领域。

一种轮廓的显微方法，包括以下步骤：

(1)激光器发射出光束，经单模光纤耦合和第一准直透镜准直，得到准直光束；所述准直光束经第一偏振片调制为平行线偏振光(p光)，所述平行线偏振光经由第一偏振分束器全部透射后，再经四分之一波片调制为圆偏振光；所述圆偏振光经第二透镜聚焦到样品平台；

(2)所述样品平台的表面发生反射和散射，得到的反射光和散射光沿原光路逆向返回，先被所述第二透镜收集，再经过所述四分之一波片调制为垂直线偏振光(s光)；所述垂直线偏振光经由所述第一偏振分束器全部反射形成第一反射光，所述第一反射光经由第三透镜聚焦后，依次通过二分之一波片和第二偏振分束器，分光为光强大小相等的第一测量光和第二测量光；所述第一测量光聚焦于第一探测光纤的光纤端面，所述第二测量光聚焦于第二探测光纤的光纤端面；

(3)调节所述样品平台、第一探测光纤和第二探测光纤的位置，直至所述第一探测光纤和第二探测光纤所探测的聚焦光斑(即分别在所述第一探测光纤的光纤端面和所述第二探测光纤的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均达到光强最大峰值；此时，所述第一探测光纤的光纤端面位于所述第三透镜的焦平面上，且所述第一探测光纤的光纤端面的中心与所述第一测量光的焦点重合；所述第二探测光纤的光纤端面位于所述第三透镜的焦平面关于所述第二偏振分束器所成的镜像平面上，且所述第二探测光纤的光纤端面的中心与所述第二测量光的焦点重合；

(4)保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动，直至各自所探测的聚焦光斑(即分别在所述第一探测光纤的光纤端面和所述第二探测光纤的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均为光强最大峰值的一半，此时，所述第一探测光纤的光纤端面仍然位于所述第三透镜的焦平面上，但所述第一探测光纤的光纤端面的中心与所述第一测量光的焦点不再重合；所述第二探测光纤的光纤端面仍然位于所述第三透镜的焦平面关于所述第二偏振分束器所成的镜像平面上，但所述第二探测光纤的光纤端面的中心与所述第二测量光的焦点不再重合；

(5)在所述样品平台上放置待测样品，通过计算机控制与所述样品平台紧固连接的纳米平移台的移动，对所述待测样品表面进行水平扫描，光线聚焦到所述待测样品和样品平台后被反射及散射，并依次经过所述第二透镜、四分之一波片和第一偏振分束器，由所述第一偏振分束器全部反射形成第二反射光，所述第二反射光经由所述第三透镜聚焦后，依次通过所述二分之一波片和第二偏振分束器，分光为第三测量光和第四测量光；所述第三测量光聚焦于所述第一探测光纤的光纤端面，所述第四测量光聚焦于所述第二探测光纤的光纤端面；将所述第一探测光纤和第二探测光纤获取的光强信号(即分别在所述第一探测光纤的光纤端面和所述第二探测光纤的光纤端面所形成的聚焦光斑的光强信号)传送到同一差分探测器中，转换为电压信号后进行差分处理得到差分电压信号，计算机读取所述差分电压信号并进行处理，实现对待测样品边缘图像的重构；

(6)将所述的待测样品旋转一定角度，重复步骤(5)进行待测样品边缘图像的重构；

(7)重复步骤(6)，直至获得待测样品的所有横向信息，从而得到待测样品的图像轮廓。

步骤(4)中，所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面也可以同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动，相应地，后续步骤(5)～(7)中，对待测样品表面进行垂直扫描。

优选的技术方案中，还可以在所述第一偏振分束器和第三透镜之间放置0/π位相板。加入所述0/π位相板后，聚焦光斑中心的光强被挤压到边缘，使旁瓣的影响降低，在两个探测光纤(第一探测光纤和第二探测光纤)的光纤端面形成的聚焦光斑均为中心凹陷的光斑，采用边缘光强峰值进行差分。这种情况下，不再需要将两个探测光纤(第一探测光纤和第二探测光纤)移动到所探测的聚焦光斑的光强为光强最大峰值一半的位置，可提高测量精度。由于两个探测光纤(第一探测光纤和第二探测光纤)探测到的两个聚焦光斑满足镜像关系，在选用中心凹陷的光斑时，为了光斑位置匹配，将两个探测光纤调节到所探测的聚焦光斑的光强均为能量峰值的位置，调节过程中两个探测光纤必须沿相同方向移动。即，所述的步骤(4)可以为：

(4)先在所述第一偏振分束器和第三透镜之间放置0/π位相板，并使得所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且垂直于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线；再保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动，直至各自所探测的聚焦光斑(即分别在所述第一探测光纤的光纤端面和所述第二探测光纤的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均为能量峰值，此时，所述第一探测光纤的光纤端面仍然位于所述第三透镜的焦平面上，但所述第一探测光纤的光纤端面的中心与所述第一测量光的焦点不再重合；所述第二探测光纤的光纤端面仍然位于所述第三透镜的焦平面关于第二偏振分束器所成的镜像平面上，但所述第二探测光纤的光纤端面的中心与所述第二测量光的焦点不再重合。

同样，所述的步骤(4)也可以为：

(4)先在所述第一偏振分束器和第三透镜之间放置0/π位相板，并使得所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且平行于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线；再保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动，直至各自所探测的聚焦光斑的光强均为能量峰值。

相应地，这种情况下，所述的步骤(5)～(7)中，对待测样品表面进行垂直扫描。

本发明还提供了一种用于实现所述轮廓的显微方法的装置，包括：

(1)激光器，用于发出激光光束；

(2)在所述激光光束光路的光轴上依次设置的单模光纤、第一准直透镜、第一偏振片、第一偏振分束器、四分之一波片和第二透镜，所述单模光纤的出射端面位于所述第一准直透镜的物方焦点处；

(3)在所述第一偏振分束器的反射光路的光轴上依次设置的第三透镜、二分之一波片、第二偏振分束器和第一探测光纤，所述第一探测光纤的光纤端面放置在所述第三透镜的焦平面上；

(4)第二探测光纤，所述第二探测光纤的光纤端面放置在所述第三透镜的焦平面关于第二偏振分束器所成的镜像平面上；

(5)与所述第一探测光纤和第二探测光纤同时相连的差分探测器、与所述差分探测器连接的主控计算机、与所述主控计算机相连的纳米平移台、与所述纳米平移台紧固连接的用于放置待测样品的样品平台，所述样品平台放置在所述第二透镜的焦平面上；

其中，所述单模光纤和第一准直透镜用于对所述激光光束进行准直，所述第一偏振片用于将所述准直后光束调制为平行线偏振光，所述第一偏振分束器用于使所述的第一偏振片调制的平行线偏振光全部透射通过，所述四分之一波片用于将所述透射后的平行线偏振光调制为圆偏振光，所述第二透镜用于聚焦所述圆偏振光以及用于收集聚焦后反射和散射的光束，所述四分之一波片还用于将所述第二透射收集的返回的反射光和散射光调制为垂直线偏振光，所述第一偏振分束器还用于使所述的垂直线偏振光(所述垂直线偏振光是由所述四分之一波片将所述第二透镜收集的返回的反射光和散射光调制得到的)通过后全部反射；

所述第三透镜用于对所述垂直线偏振光在所述第一偏振分束器的反射光进行聚焦，所述二分之一波片用于将所述第三透镜聚焦后的光束调制为两个振动方向相互垂直的等截面偏振光，所述第二偏振分束器用于使所述两个振动方向相互垂直的等截面偏振光通过后一个完全透射而另一个完全反射，从而分离为两束测量光，所述第一探测光纤和第二探测光纤用于分别对所述的两束测量光进行耦合并各获取一个光强信号；

所述差分探测器用于将所述两个光强信号转换为电压信号后进行差分处理得到差分电压信号，所述主控计算机用于接收所述差分探测器的差分电压信号并进行分析处理和样品图像重建，同时用于控制纳米平移台移动；所述纳米平移台用于根据所述主控计算机发出的信号进行移动，从而精确调节样品平台的位置完成样品扫描。

由于本发明中所述第一偏振分束器的作用有二：一是对于由所述第一偏振片调制的平行线偏振光透射，二是对于由所述四分之一波片基于所述第二透射收集的返回的反射光和散射光所调制的垂直线偏振光反射，因此，所述第一偏振分束器的反射光路即为所述垂直线偏振光在所述第一偏振分束器发生反射的光路。

所述差分探测器也可以由两个光电探测器代替，两光电探测器分别探测两测量光束的光强，最终经由计算机进行差分处理。

优选的技术方案中，本发明装置中还包括0/π位相板，所述0/π位相板放置在所述第一偏振分束器和第三透镜之间，所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心，且水平扫描时所述0/π位相板的0/π位相分割线还垂直于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线，垂直扫描时所述0/π位相板的0/π位相分割线平行于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线。

本发明的工作原理如下：

采用第一偏振片将准直光束调制为平行线偏振光，全部直接透射通过所述第一偏振分束器，没有能量损失；同时，采用四分之一波片将平行线偏振光调制为圆偏振光，使在对样品扫描时扫描光斑光强均匀分布；并且，由第二透镜收集的返回的反射光和散射光经四分之一波片调制成垂直线偏振光，通过所述第一偏振分束器全部反射，也没有能量损失地进入第三透镜聚焦。

此外，当样品平台上没有放置待测样品时，采用二分之一波片和第二偏振分束器将第三透镜聚焦后的光束分光为光强大小相等的第一测量光和第二测量光。由于二分之一波片将第三透镜聚焦后的光束调制为两个振动方向相互垂直的等截面偏振光，而样品平台的反射光和散射光光强分布均匀，因此，这也意味着，这两个振动方向相互垂直的等截面偏振光在通过第二偏振分束器时，刚好是一个偏振光完全透射，另一个偏振光完全反射。

设第一探测光纤探测信号电压为V(v，u，+v_M)，第二探测光纤探测信号电压为V(v，u，-v_M)，则差分电压V_C(v，u)＝V(v，u，+v_M)-V(v，u，-v_M)。

当扫描光斑全部落在样品平台上，即收集的反射光和散射光全部来自样品平台表面，第三测量光(此时等同于第一测量光)的光强和第四测量光(此时等同于第二测量光)的光强大小相等，则V(v，u，+v_M)＝V(v，u，-v_M)，差分电压V_C(v，u)＝V(v，u，+v_M)-V(v，u，-v_M)＝0。

当扫描光斑全部落在待测样品上，即收集的反射光和散射光全部来自待测样品表面，第三测量光的光强和第四测量光的光强大小相等，则V(v，u，+v_M)＝V(v，u，-v_M)，差分电压V_C(v，u)＝V(v，u，+v_M)-V(v，u，-v_M)＝0；

当扫描光斑被待测样品边缘分割，即收集的反射光和散射光部分来自待测样品、部分来自样品平台，第三测量光的光强和第四测量光的光强不再相等，则V(v，u，+v_M)≠V(v，u，-v_M)，差分电压V_C(v，u)＝V(v，u，+v_M)-V(v，u，-v_M)≠0；且当扫描光斑被待测样品边缘大致平分时，差分电压V_C(v，u)数值上有最大值(符号要根据哪一边光强大判定，所以最后处理时可直接根据数据大小不考虑符号)。因此，根据差分电压V_C(v，u)的数值分布进行样品图像重构，可获得待测样品边缘图像，即可获得待测样品的清晰轮廓，从而提高了系统的横向分辨率。

本发明中，将共焦显微术与差分原理结合，采用横向差分，获得样品的横向轮廓信息，从而提高系统的横向分辨率；所述第一探测光纤和第二探测光纤采用光纤耦合，代替针孔滤波，提高系统的稳定性和可靠性。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)系统信噪比高，两两差分相减的测量方法可抑制环境的状态差异、光源光强波动等噪声。

(2)横向分辨率显著提高，横向分辨率可以达到200nm以下；

(3)装置结构简洁，方便快速高精度调整，且不会产生相互干扰。

附图说明

图1为本发明的轮廓的显微装置的一种实施方式的示意图；

图2为本发明的轮廓的显微装置的另一种实施方式的示意图；

图3为一光栅型物体的剖面示意图；

图4为采用现有显微技术测量图3中光栅型物体所得到的归一化强度分布图；

图5为采用图1的显微装置测量图3中光栅型物体所得到的归一化差分处理结果图；

图6为对图5的归一化差分处理结果的数值取绝对值后的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

实施例1

如图1所示，一种轮廓的显微装置，包括：激光器1，单模光纤2，第一准直透镜3，第一偏振片4，第一偏振分束器5，四分之一波片6，第二透镜7，样品平台9，第三透镜10，二分之一波片11，第二偏振分束器12，第二探测光纤13，第一探测光纤14，差分探测器15，纳米平移台16，主控计算机17。

其中，激光器1发出激光光束，单模光纤2、第一准直透镜3、第一偏振片4、第一偏振分束器5、四分之一波片6和第二透镜7依次设置在激光光束光路的光轴上。单模光纤2的出射端面位于第一准直透镜3的物方焦点处，单模光纤2和第一准直透镜3对激光光束进行准直，第一偏振片4将准直后光束调制为平行线偏振光，第一偏振分束器5使该平行线偏振光全部透射通过，四分之一波片6将透射后的平行线偏振光调制为圆偏振光，第二透镜7聚焦该圆偏振光并收集聚焦后反射和散射的光束，四分之一波片6还将第二透射7收集的返回的反射光和散射光调制为垂直线偏振光，第一偏振分束器5还使该垂直线偏振光通过后全部反射。

第三透镜10，二分之一波片11，第二偏振分束器12和第一探测光纤14依次设置在第一偏振分束器5的反射光路(垂直线偏振光经过第一偏振分束器5反射出来的光路)的光轴上，且第一探测光纤14的光纤端面放置在第三透镜10的焦平面，第二探测光纤13的光纤端面放置在第三透镜10的焦平面关于第二偏振分束器12所成的镜像平面上；第一探测光纤14和第二探测光纤13均连接到差分探测器15上，差分探测器15还与主控计算机17相连，主控计算机17同时连接纳米平移台16，纳米平移台16与用于放置待测样品8的样品平台9紧固连接，样品平台9放置在第二透镜7的焦平面上。

第三透镜10对上述的垂直线偏振光在第一偏振分束器5的反射光进行聚焦，二分之一波片11将第三透镜10聚焦后的光束调制为两个振动方向相互垂直的等截面偏振光，第二偏振分束器12使得这两个振动方向相互垂直的等截面偏振光通过后一个完全透射而另一个完全反射，从而分离为两束测量光，第一探测光纤14和第二探测光纤13分别对这两束测量光进行耦合并各获取一个光强信号，差分探测器15将第一探测光纤14和第二探测光纤13所获取的两个光强信号转换为电压信号后进行差分处理得到差分电压信号，主控计算机17收到差分处理结果(即差分电压信号)后进行分析处理和样品图像重建，并同时输出指令信号给纳米平移台16，纳米平移台16根据该指令信号进行移动，从而精确调节样品平台9的位置完成样品扫描。

采用图1所示的装置实现轮廓的显微方法，其过程如下：

(1)激光器1发射出光束，经单模光纤2耦合和第一准直透镜3准直，得到准直光束；该准直光束经第一偏振片4调制为平行线偏振光(p光)，该平行线偏振光经由第一偏振分束器5全部透射后，再经四分之一波片6调制为圆偏振光；该圆偏振光经第二透镜7聚焦到样品平台9表面。

(2)样品平台9表面发生反射和散射，得到的反射光和散射光沿原光路逆向返回，先被第二透镜7收集，再经过四分之一波片6调制为垂直线偏振光(s光)；该垂直线偏振光经由第一偏振分束器5全部反射形成第一反射光，第一反射光经由第三透镜10聚焦后，依次通过二分之一波片11和第二偏振分束器12，分光为光强大小相等的第一测量光和第二测量光，第一测量光聚焦于第一探测光纤14的光纤端面，第二测量光聚焦于第二探测光纤13的光纤端面。

(3)调节样品平台9、第一探测光纤14和第二探测光纤13的位置，直至第一探测光纤14和第二探测光纤13所探测的聚焦光斑(即分别在第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均达到光强最大峰值，此时，第一探测光纤14的光纤端面位于第三透镜10的焦平面上，且第一探测光纤14的光纤端面的中心与第一测量光的焦点重合；第二探测光纤13的光纤端面位于第三透镜10的焦平面关于第二偏振分束器12所成的镜像平面上，且第二探测光纤13的光纤端面的中心与第二测量光的焦点重合；

(4)保持第一探测光纤14和第二探测光纤13沿轴向不动，调节第一探测光纤14和第二探测光纤13的位置，使得第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动(同时向左移动或者同时向右移动)，直至各自所探测的聚焦光斑(即分别在第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均为光强最大峰值的一半，此时，第一探测光纤14的光纤端面仍然位于第三透镜10的焦平面上，但第一探测光纤14的光纤端面的中心与第一测量光的焦点不再重合；第二探测光纤13的光纤端面仍然位于第三透镜10的焦平面关于第二偏振分束器12所成的镜像平面上，但第二探测光纤13的光纤端面的中心与第二测量光的焦点不再重合；

(5)将待测样品8放在样品平台9上，打开主控计算机17，对纳米平移台16发出指令，使样品平台9水平移动，对待测样品8进行水平扫描，光线聚焦到待测样品8和样品平台9后被反射及散射，依次经过第二透镜7、四分之一波片6和第一偏振分束器5，由第一偏振分束器5全部反射形成第二反射光，第二反射光经由第三透镜10聚焦后，依次通过二分之一波片11和第二偏振分束器12，分光为第三测量光和第四测量光；第三测量光聚焦于第一探测光纤14的光纤端面，第四测量光聚焦于第二探测光纤13的光纤端面；将第一探测光纤14和第二探测光纤13获取的光强信号(即分别在所述第一探测光纤的光纤端面和所述第二探测光纤的光纤端面所形成的聚焦光斑的光强信号)传送到差分探测器15中，转换为电压信号后进行差分处理得到差分电压信号，主控计算机17读取该差分电压信号并进行处理，实现对待测样品边缘图像的重构；

(6)将待测样品8旋转一个角度放在样品平台9上，重复步骤(5)进行待测样品边缘图像的重构；

(7)重复步骤(6)，直至获得待测样品8的所有横向信息，从而得到待测样品8的图像轮廓。

以待测样品为图3所示的光栅型物体为例，分别采用现有技术中的普通超分辨方法和本实施例中显微方法进行测量，测量结果如下：

采用现有技术中的普通超分辨方法测量得到的归一化强度分布如图4所示，可见其对边缘不敏感，边缘信息丢失，横向分辨率低；采用本实施例的显微方法测量得到的归一化差分处理结果如图5所示，可见其对样品边缘敏感，在样品边缘有脉冲峰值，横向分辨率高。对图5中归一化差分处理结果的数值取绝对值，处理后效果如图6所示，在边缘处有尖峰脉冲，可见其对样品边缘敏感，对非边缘不敏感，可以得到清晰的物体轮廓像。

实施例2

采用图1所示的装置进行轮廓的显微时，步骤(4)中，第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动(同时向上移动或者同时向下移动)，相应地，后续步骤(5)～(7)中，对待测样品表面进行垂直扫描。

实施例3

如图2所示的轮廓的显微装置，与实施例1的区别仅在于：装置中还包括0/π位相板18，其中，0/π位相板18放置在第一偏振分束器5和第三透镜10之间，0/π位相板18的0/π位相分割线经过由第三透镜10聚焦所得光束的中心且垂直于由第一探测光纤14的光纤端面中心和第二探测光纤13的光纤端面中心构成的连线。

采用图2所示的装置实现轮廓的显微的方法与实施例1中的方法也大致相同，其区别仅在于将步骤(4)替换如下：

(4)先在第一偏振分束器5和第三透镜10之间放置0/π位相板18，0/π位相板18的0/π位相分割线经过由第三透镜10聚焦所得光束的中心，且0/π位相板18的0/π位相分割线同时还垂直于由第一探测光纤14的光纤端面中心和第二探测光纤13的光纤端面中心构成的连线；再保持第一探测光纤14和第二探测光纤13沿轴向不动，调节第一探测光纤14和第二探测光纤13的位置，使得第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动(同时向左移动或者同时向右移动)，直至各自所探测的聚焦光斑(即分别在第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面所形成的聚焦光斑)的光强均为能量峰值，此时，第一探测光纤14的光纤端面仍然位于第三透镜10的焦平面上，但第一探测光纤14的光纤端面的中心与第一测量光的焦点不再重合；第二探测光纤13的光纤端面仍然位于第三透镜10的焦平面关于第二偏振分束器12所成的镜像平面上，但第二探测光纤13的光纤端面的中心与第二测量光的焦点不再重合。

实施例4

采用图2所示的装置进行轮廓的显微时，只是装置中0/π位相板18的0/π位相分割线经过由第三透镜10聚焦所得光束的中心，同时还平行于由第一探测光纤14的光纤端面中心和第二探测光纤13的光纤端面中心构成的连线。

步骤(4)中，第一探测光纤14的光纤端面和第二探测光纤13的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动(同时向上移动或者同时向下移动)，直至各自所探测的聚焦光斑的光强均为能量峰值；相应地，后续步骤(5)～(7)中，对待测样品表面进行垂直扫描。

Claims (7)

1.一种轮廓的显微方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器发射出光束，经单模光纤耦合和第一准直透镜准直，得到准直光束；所述准直光束经第一偏振片调制为平行线偏振光，所述平行线偏振光经由第一偏振分束器全部透射后，再经四分之一波片调制为圆偏振光；所述圆偏振光经第二透镜聚焦到样品平台；

(2)所述样品平台的表面发生反射和散射，得到的反射光和散射光沿原光路逆向返回，先被所述第二透镜收集，再经过所述四分之一波片调制为垂直线偏振光；所述垂直线偏振光经由所述第一偏振分束器全部反射形成第一反射光，所述第一反射光经由第三透镜聚焦后，依次通过二分之一波片和第二偏振分束器，分光为光强大小相等的第一测量光和第二测量光；所述第一测量光聚焦于第一探测光纤的光纤端面，所述第二测量光聚焦于第二探测光纤的光纤端面；

(3)调节所述样品平台、第一探测光纤和第二探测光纤的位置，直至所述第一探测光纤和第二探测光纤所探测的聚焦光斑的光强均达到光强最大峰值；此时，所述第一探测光纤的光纤端面位于所述第三透镜的焦平面上，且所述第一探测光纤的光纤端面的中心与所述第一测量光的焦点重合；所述第二探测光纤的光纤端面位于所述第三透镜的焦平面关于所述第二偏振分束器所成的镜像平面上，且所述第二探测光纤的光纤端面的中心与所述第二测量光的焦点重合；

(4)保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动，直至各自所探测的聚焦光斑的光强均为光强最大峰值的一半；

(5)在所述样品平台上放置待测样品，通过计算机控制与所述样品平台紧固连接的纳米平移台的移动，对所述待测样品表面进行水平扫描，光线聚焦到所述待测样品和样品平台后被反射及散射，并依次经过所述第二透镜、四分之一波片和第一偏振分束器，由所述第一偏振分束器全部反射形成第二反射光，所述第二反射光经由所述第三透镜聚焦后，依次通过所述二分之一波片和第二偏振分束器，分光为第三测量光和第四测量光；所述第三测量光聚焦于所述第一探测光纤的光纤端面，所述第四测量光聚焦于所述第二探测光纤的光纤端面；将所述第一探测光纤和第二探测光纤获取的光强信号传送到同一差分探测器中，转换为电压信号后进行差分处理得到差分电压信号，计算机读取所述差分电压信号并进行处理，实现对待测样品边缘图像的重构；

(6)将所述的待测样品旋转一定角度，重复步骤(5)进行待测样品边缘图像的重构；

(7)重复步骤(6)，直至获得待测样品的所有横向信息，从而得到待测样品的图像轮廓。

2.如权利要求1所述的轮廓的显微方法，其特征在于，所述的步骤(4)为：

(4)先在所述第一偏振分束器和第三透镜之间放置0/π位相板，并使得所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且垂直于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线；再保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向水平移动，直至各自所探测的聚焦光斑的光强均为能量峰值。

3.如权利要求1所述的轮廓的显微方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动，相应地，所述的步骤(5)～(7)中，对待测样品表面进行垂直扫描。

4.如权利要求3所述的轮廓的显微方法，其特征在于，所述的步骤(4)为：

(4)先在所述第一偏振分束器和第三透镜之间放置0/π位相板，并使得所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且平行于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线；再保持所述第一探测光纤和第二探测光纤沿轴向不动，调节所述第一探测光纤和第二探测光纤的位置，使得所述第一探测光纤的光纤端面和第二探测光纤的光纤端面同时在各自所处的平面上沿相同方向垂直移动，直至各自所探测的聚焦光斑的光强均为能量峰值。

5.一种用于轮廓的显微的装置，其特征在于，包括：

(1)激光器，用于发出激光光束；

(2)在所述激光光束光路的光轴上依次设置的单模光纤、第一准直透镜、第一偏振片、第一偏振分束器、四分之一波片和第二透镜，所述单模光纤的出射端面位于所述第一准直透镜的物方焦点处；所述第一偏振片为将第一准直透镜出射的准直光束调制为平行线偏振光的偏振片，所述第一偏振分束器允许透过的偏振方向与所述平行线偏振光的偏振方向平行，所述第一偏振分束器允许反射的偏振方向与所述平行线偏振光的偏振方向垂直；

(3)在所述第一偏振分束器的反射光路的光轴上依次设置的第三透镜、二分之一波片、第二偏振分束器和第一探测光纤，所述第一探测光纤的光纤端面放置在所述第三透镜的焦平面上；所述第二偏振分束器用于使所述二分之一波片调制的两个振动方向相互垂直的等截面偏振光通过后一个完全透射而另一个完全反射；

(4)第二探测光纤，所述第二探测光纤的光纤端面放置在所述第三透镜的焦平面关于第二偏振分束器所成的镜像平面上；

(5)与所述第一探测光纤和第二探测光纤同时相连的差分探测器、与所述差分探测器连接的主控计算机、与所述主控计算机相连的纳米平移台、与所述纳米平移台紧固连接的用于放置待测样品的样品平台，所述样品平台放置在所述第二透镜的焦平面上。

6.如权利要求5所述的用于轮廓的显微的装置，其特征在于，还包括0/π位相板，所述0/π位相板放置在所述第一偏振分束器和第三透镜之间，所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且垂直于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线。

7.如权利要求5所述的用于轮廓的显微的装置，其特征在于，还包括0/π位相板，所述0/π位相板放置在所述第一偏振分束器和第三透镜之间，所述0/π位相板的0/π位相分割线经过由所述第三透镜聚焦所得光束的中心且平行于由所述第一探测光纤的光纤端面中心和第二探测光纤的光纤端面中心构成的连线。

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